动物和植物进化史主要是古尸的陈列和植物陈列。

古尸陈列室共陈列5具古尸，其中新疆楼兰地区发掘的楼兰女尸，据碳14测定，认为距今3880±95年，是中国已知古尸中年代最早的一具。在中国历代古尸陈列厅里，还展出有新疆的出土距今3000多年前的哈密古尸，以及唐、宋、明三朝古尸。

植物陈列室分序厅、植物进化厅和植物的改造与利用厅。内容包括原始的藻类，没有叶绿素的真菌，菌藻共生的地衣，陆生维管植物的先躯──蕨类，陆生植物的一个旁枝──苔藓，直到高等的秋子植物。沿着陈列线，一个个生态景箱的衔接，展示植物演化的进程。陈列厅的中央是一个巨大的石炭纪蕨类立体景箱，它再现了2亿多年前地球上最早的沼泽森林，也是植物从水生到陆生后出现的第一批大森林。已经在地球上绝灭的鳞木、封印木等蕨类矗立于森林上层，无数草木蕨类覆盖在沼泽湿地上。

著名展品

在古动物史陈列厅展出的180件展品中，最引人注目的是大厅中央的合川马门溪龙和黄河古象：前者身长22米，肩高3.5米，体重几十吨，发掘于重庆合川区太和镇，为世界上最大的恐龙之一；后者体长8米，身高4米，一对门牙就有3米长，发掘于甘肃东部黄土高原，也是古兽中的庞然大物。此外，还有许氏禄丰龙、多棘沱江龙、魏氏准噶尔翼龙、恐龙蛋、恐龙脚印、玄武蛙、鱼龙、雷兽、巨犀等古动物化石。

在中国历代古尸陈列厅里，展出有新疆的出土距今3000多年前的哈密古尸，以及唐、宋、明三朝古尸。

珍稀动植物

动物陈列共有展品2757件，并配有生态景观衬托。其中有2只国内首创的雷鸟和雪兔电动生态景观，展现动物体色能随季节变化而变化的适应环境的保护作用。在陈列标本中，有大珠母贝、白鲟、大鲵、扬子鳄、棱皮龟、褐马鸡、东北虎、儒艮、白鳍豚等国家一、二级保护动物，其中有的还是中国特产动物；也有不少外国珍稀动物，如高脚蟹、极乐鸟、鼷鹿、美洲狮、鸸鹋、沙袋鼠等。

植物进化陈列共有展品323件，展示着最原始的植物藻类，没有叶绿素的真菌，菌藻共生的地衣，陆生维管植物的先驱蕨类，陆生植物的一个旁支苔藓，直到最高等的种子植物，是全国迄今为止较完整、较详细地展示植物界在亿万年的历史长河中的进化发展过程的陈列。

上海自然博物馆自1958年5月举办《几种上海常见的农林益害鸟》第一个专题展览以来，共举办了84个不同内容的临时和流动展览。

拥有各类标本24万件。其中有很高学术价值的模式标本100种计184件，如第一次采得的金头闭壳龟、井冈脊蛇等；创国内新纪录的标本（国外已采得，而国内则首次发现）；国家一、二级保护生物标本；珍稀的古生物、矿物、古尸等标本，如原始牛宿县亚种、哈密古尸、北京猿人第一个头盖骨首批模型（头盖骨标本已遗失）；极为珍稀的外国标本，如有“活化石”之称的矛尾鱼、楔齿蜥，在论述动物进化上有重大意义的鸭嘴兽等。上海自然博物馆还藏有各文种图书66352册、期刊10047册，合计76399册。

获得标本

上海自然博物馆有丰富的馆藏标本和图书资料。除了接收原英国人办的亚洲文会上海博物馆标本，法国人办的震旦博物院的部分自然标本外，主要通过采集、收购、赠送、交换等途径获得各类自然标本。到1985年，馆藏各类标本有20余万件，其中动物标本6.2万多件，植物标本13.5万多件，古生物标本1700多件，新旧石器标本700多件、矿物与岩石标本1700多件。在这些标本中，有一定数量的模式标本和国内第一次发现的新记录标本。有中国特有的和世界著名的珍稀生物标本，有6亿年前的化石。该馆还藏有供科学研究和科学教育用的中、外文各类专业图书资料6万余册。